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【小白福音】电机开发利器——ADI TMC4671套件评测
当今，人工智能（AI）作为最前沿的科技之一，正以前所未有的速度快速发展，市场关注热度也不断攀升。从Atlas人形机器人到擎天柱（Optimus），各类AI机器人的表现让人惊叹。然而，在所有机器人项目中，电机驱动可以说是核心，也是一门深厚的学问。 今天我就为大家介绍一款来自ADI Trinamic的无刷电机控制开发板，带你入门电机驱动。这款开发板由与ADI合作了三十多年的技术型授权代理商Excelpoint世健提供，并提供技术支持。
一、关于ADI Trinamic
ADI Trinamic是嵌入式电机和运动控制领域的技术领导者，拥有二十多年经验，在半导体行业被称作是一个神话，主要致力于运动控制产品的设计与研发（包括步进和直流无刷和伺服系统）。其主要产品包括芯片、模块和系统。产品具有体积小、集成度高、性能强等主要特点，可谓电机领域的“卷”王。ADI Trinamic将传统软件算法通过硬件来实现，可极大减轻生产研发的工作量。例如，集成S曲线加减速算法，可以让运动性能得到极大地提升，集成FOC算法可以让无刷电机开发变得轻而易举等等。
二、TMC4671硬件解剖
1、拆包
拿到套件，外包装是用可回收的纸箱，侧面贴有套件的信息。
包装做成了抽屉型，很有特色且很环保。抽出包装后可以看到，里面有减震泡棉保护里面的板子。
把包装里面东西都拆出来后，可以看到用静电包装着的板子，还有一跟TYPE-C数据线。
拆开每个静电包装就可以看到每块板子的真容了，套件清单如下：
- Landungsbruecke x 1
- TMC4671-EVAL x 1
- TMC6200-EVAL x 1
- MOTOR CONTROL x 2
- TYPE-C数据线 x 1
2、Landungsbruecke介绍
Landungsbruecke主板正面很清爽，很多元器件都是NC。背面没有元器件很清爽，上面有板子的说明、网址等信息。
板子用的主控是NXP的MK20DX系列（飞思卡尔已被NXP收购）。Landungsbruecke主板的主要功能是配合TMCL-IDE上位机，让开发者快速配置开发板，快速配置及调试电机。
3、TMC4671-EVAL介绍
板子正面四周设计了排针排母，方便用户扩展接口；左右两边的排母主要用于官方板卡的扩展级联，有数字霍尔、增量编码器接口，以及模拟量编码器接口；背面主要是一些电容电阻和缓冲器。板载的芯片型号为TMC4671-LA，为QFN76封装，不复杂的硬件能极大地提高生产的可靠性，同时降低维修难度。
ADI TMC4671是一款完全集成的伺服控制器，可为BLDC/PMSM和两相步进电机以及直流电机和音圈提供磁场定向控制(FOC)。所有控制功能都在硬件中实现。集成 ADC、位置传感器接口、位置插值器，为广泛的伺服应用提供功能齐全的伺服控制器。
TMC4671是本套件的核心所在，其硬件集成的电机控制算法及三环控制算法使得开发电机不需要编写一行代码即可完成，简单配置几个寄存器就可以轻松完成项目开发。
4、TMC6200-EVAL介绍
TMC6200-EVAL为高压栅极控制器主板。正面主芯片为TMC6200-TA,，TQFP48封装。6颗黑色芯片为英飞凌的mos管，型号为BSC026N08NS5ATMA1，具有6颗采样电阻。配有供电接线端子，以及三相电机的接线端子。板子背面同样没有任何元器件，只有关于板子的介绍；通信接口为SPI，供电电压范围为8~55V，最大峰值电流为10A。
5、Motor Control介绍
这里就不多介绍了，这个板子比较简单，主要作用就是连接两块板子，用于板子级联。
套件级联后的效果如上图，通过Motor Control连接板实现套件的级联。
三、小试牛刀，快速配置 本人手上有个带霍尔传感器的无刷电机，刚好可以用来测试这个TMC4671套件。接好电源、电机三相线及霍尔接线，再用type-c线连接套件和电脑。
打开TMCL-IDE后，可以看到已经可以识别到Landungsbruecke主板，固件版本也能正常获取为V3.08。
在右边的配置面板可以自己选择板子的型号，也可以点击“Scan”自动扫描板子。
选择TMC4671-EVAL板子配置，点击“Wizard Pool”按钮进行配置向导一步步对TMC4671进行配置。
第一步，配置一下套件的功能，因为测试电机没有ABZ编码器，所以这几项得取消了。
接下来需要需要进行通用配置，此套件功率板用的是TMC6200-EVAL，电机类型选择3-Three phase BLDC，电机的极对数选择8，其他配置默认即可。
继续配置开环参数，点击“Set defaults”按钮，拖动UD_EXT的滑动条，然后点击“运行”按钮，电机就会开始慢速转动起来，左右两边的箭头为控制转动的方向，快进键为电机点动。
再下一个页面是对ADC进行配置。此页面只要能正常看到有ADC正弦波形即可，主要看ADC采集是否正常。
接下来对ADC进行偏移校准，两路ADC软件都通过实时采样数据自动算好偏移值了，直接点一下”Set”按钮就行了。
将页面往下拉，需要确保三相的电压和ADC采集的数据曲线重合，否则需要调整0x0A寄存器里面ADC的选择配置，直到曲线基本重合。
接下来对霍尔传感器进行配置，根据向导要让霍尔信号与电信号交叉，因为测试电子自带霍尔，所以不需要进行额外的校准，已经可以直接使用了。
配置好霍尔传感器进入测试步骤，首先点一下“Set defaults and start”按钮，输入目标电流点击运行，观测电机到电机能正常跑起来了，说明霍尔接口配置正常。到这里，配置向导基本完成，已经对套件完成初始化配置了。
四、电机性能测试
初始化向导后，就可以对套件进一步调试了。首先，打开“Selectors”对电角度输入源，速度反馈源位置反馈源进行配置，这里都设为霍尔传感器作为反馈。
PID参数调节是电机控制的痛点，TMC上位机这边提供了参数拟定的工具，选择“Torque/Flux”，点击“Start”开始后，就会自动对电机电流环进行参数拟定，拟定后的参数会自动同步到“PI control”中。
速度环的PI参数拟定也是同样的逻辑。设定好目标速度后，选择“Velecity”，点击开始后，即可对速度环进行参数拟定。
PID参数拟定完毕，我们就可以来测测实际的运行性能了。首先，对电流环进行测试，设定目标电流后，利用左右箭头两种按钮切换电机运行方向，通过换向来验证阶跃响应，也可自行微调PI参数达到更理想的运行效果。
接着，来测试速度环的性能。切换到速度模式，跟测试电流环一样，手动控制电机运动换向测试响应和跟随性，可以看到目标速度和实际反馈速度基本重合，说明跟随性很不错。
接着测试位置环，切换到位置环模式，设置目标位置，电机能很快运动到目标位置并收敛在目标位置。测试电机位置环，通过人为拧动电机，电机会很快就收敛到目标位置。不过，要想进一步提升位置环的性能，单纯用霍尔传感器是不够的，一般位置环的应用一般需要增量编码器或者绝对式编码器。
总结
ADI Trinamic推出的TMC4671真是电机控制领域的福音，由于算法直接集成到了芯片内部，电机小白可以不用研究晦涩难懂的clarke、park、反clarke、反park等FOC控制理论知识，只需要配置简单的寄存器即可对电机进行快速的开发，极大节省了开发成本，相信定是未来一大趋势，未来可期。
本文原创作者：TopGun（21ic资深评测工程师，机器人领域，7年研发经验）
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